摘要：日本索佳测绘仪器公司生产的 NET1200全站仪,主要针对工业测量用户，具有测量精度高、功能全、可靠性好等特点，在工业检测、设备安装、油罐容积计量等领域有着广泛的应用。其测角标称精度为1″，测距标称精度对反射片为0.6mm+2ppm，对棱镜及无棱镜测距为1mm+2ppm，这一精度指标与一般全站仪有较大差别，尤其是该仪器对反射片及无棱镜的测距精度远高于其它同等级仪器。针对这一特点，给出了NET1200全站仪的基本特点，并以大量的测试试验对其标称精度进行了测试。
关键词： 全站仪 工业测量系统 坐标转换 均方根误差
1. NET1200全站仪测距原理特点简介
索佳全站仪主要分为 SET和NET两大系列。其中SET系列全站仪主要应用于工程测量；而NET系列主要为工业计量、变形监测等应用领域专门设计，因此具有测量精度更高、测量性能更加可靠等特点。 NET1200 是目前索佳 NET 系列全站仪中测距精度最高的，其测距性能主要特点有：
（ 1 ）多个测距频率同时调制发射。传统的测距原理是不同的测距频率在时序指令的控制下依次对红外或激光光波进行调制发射。而索佳的新型测距仪，多个测距频率同时调制发射与解调接收，然后对解调后的不同频率信号再分别处理而测定距离。此新型测距技术有利于缩短测距时间。
（ 2 ）消除望远镜光学系统反射干扰信号的影响。从图 1 的望远镜光学系统原理图中可以清楚地发现，新的光学系统消除了透镜组反射干扰的信号的应用，有利于进一步提高测距结果的准确性。
旧光学系统
发射光
新光学系统
图 1 望远镜光学系统原理图
（ 3 ）智能信号处理系统。一般来讲，测距系统相位差测量结果是几千次测量的平均值。索佳测距系统设定了一个标准偏差，如实测统计的标准偏差达到设定值，即停止相位差测量；如果实测标准偏差未达到设定值，即适当增加相位差测量次数，直到满足要求为止。由此可见，索佳测距系统相位差测量次数是动态的，一旦有测量结果即是可靠的。
（ 4 ）索佳 NET 系列全站仪是专门针对反射片测距开发的，具有测距误差预修正的特别技术。即 NET1200 除了在原器件选用指标上要求更严之外，还对不同距离上测距误差进行预测试，然后将结果保存在仪器中，用于实际测距时的修正。这一技术在短距离内容易做到很高的误差修正精度，因此 NET1200 在 200m （反射片）和 40m （无棱镜）的短测程内可以分别达到（ 0.6mm+2ppm ）和（ 1mm+2pmm ）的特高精度指标。
2. NET1200全站仪的精度测试
2.1 测试方法
NET1200全站仪的标称测角精度为1″，对反射片测距精度标称为0.6mm+2ppm，对棱镜测距精度标称为1mm+2ppm，无棱镜测距精度标称为1mm+2ppm。该标称精度与其它各厂家推出的同等级仪器相比，其对反射片、无棱镜测距精度明显较高，如该全站仪能够满足其标称指标，则其在工业测量、设备安装、油罐容积计量、变形测量等领域将具有很高的应用价值。为了充分掌握NET1200的实际测量精度，对其进行了全方位的精度测试。测试中采用了经纬仪工业测量系统作为标准，依据现已掌握的有关经纬仪工业测量系统的应用经验，由多台T3000或TM5100电子经纬仪构成的经纬仪工业测量系统，其标称测量精度可达1/10000[1]，即在10m左右的测量范围上，其点位测量误差一般小于0.1mm。因此可以采用T3000或TM5100经纬仪工业测量系统的测量数据作为标准值，以此检验NET1200全站仪的测量精度指标。
在实际测试中，采用了由一台 T3000（SN：411050）及一台TM5100（SN：439508）构成的经纬仪工业测量系统作为基准，在进行系统定向时，对两台经纬仪及一台NET1200全站仪（SN：110297）同时进行系统定向，将三台仪器设站纳入到一个统一的坐标系统中，如图2所示。定向完成后，在测试空间中设置若干个测量点，用T3000、TM5100通过前方交会测量各点坐标作为点坐标基准值，采用NET1200全站仪测量点的坐标作为待测试值，与前面交会测量的坐标进行比较，通过比较差值可以测试NET1200全站仪的实际测量精度。
图 2 测试中的设站示意图
T3000
TM5100
NET1200
待测量点 P
2.2 测距精度测试
由于三台仪器构成了统一的测量系统，通过系统定向获得了各设站仪器中心的三维坐标， T3000 、 TM5100 经纬仪对空间点交会测量时可得到点的三维坐标，采用交会测量的点坐标及 NET1200 的设站仪器中心坐标可以反算出 NET1200 仪器中心到测量点的空间距离，同时 NET1200 对点直接测量时可以得到对点测量的斜距，将上述反算的距离与 NET1200 实测的距离比较可以看出 NET1200 的实际测距精度。按照上述方法针对反射片进行了三组独立的试验，每组试验前都对系统进行定向，然后再测量约 20 个空间点。表 1 列出了针对反射片测量的第一组试验的距离比较差值。
表 1 NET1200 对反射片测距精度测试结果（单位： mm ）
|
点序号 |
反算距离 |
实测距离 |
差值 |
点序号 |
反算距离 |
实测距离 |
差值 |
|
1 |
5230.766 |
5230.775 |
0.009 |
11 |
5311.813 |
5312.026 |
0.213 |
|
2 |
5589.260 |
5589.527 |
0.267 |
12 |
6223.871 |
6223.480 |
-0.391 |
|
3 |
6632.112 |
6632.482 |
0.370 |
13 |
4530.913 |
4530.722 |
-0.191 |
|
4 |
8474.948 |
8475.091 |
0.143 |
14 |
6127.468 |
6127.380 |
-0.088 |
|
5 |
8281.846 |
8281.840 |
-0.006 |
15 |
7719.289 |
7718.887 |
-0.408 |
|
6 |
7663.624 |
7664.337 |
0.713 |
16 |
8868.286 |
8868.793 |
0.507 |
|
7 |
9187.237 |
9187.744 |
0.507 |
17 |
6965.210 |
6965.234 |
0.024 |
|
8 |
8290.306 |
8289.590 |
-0.716 |
18 |
8810.518 |
8810.542 |
0.024 |
|
9 |
8360.894 |
8361.190 |
0.296 |
19 |
5336.373 |
5335.976 |
-0.397 |
|
10 |
4885.901 |
4886.024 |
0.123 |
20 |
6041.596 |
6040.979 |
-0.617 |
将所有比较差值取平均值，将各差值与该平均值相减，相减的结果取均方根，作为测距均方根误差。该误差能很好的反应全站仪的测距精度。表 2 列出了各组试验的测距均方根误差。
表 2 NET1200 测距均方根误差（单位： mm ）
|
反射器类型 |
均方根误差 |
测试点数 |
||
|
第一组 |
第二组 |
第三组 |
||
|
反射片 |
0.34 |
0.28 |
0.38 |
20 个点 |
从表 2 结果可以看出，针对反射片测距各组试验的均方根误差小于 0.4mm ，与其标称的测距精度（ 0.6mm ＋ 2ppm ）比较吻合，说明 NET1200 全站仪针对反射片具有较高的测距精度，在许多要求测量点位精度达到亚毫米量级的测量工作中，完全可以采用 NET1200 全站仪测量反射片实现。
2.3 三维坐标测量精度测试
前面 2.2 的比较主要针对测距的精度，未涉及 NET1200 的测角精度，而在工业检测、设备安装等测量工作中，常常要测量点的三维坐标，因此必须了解其三维坐标测量精度。利用前面针对反射片进行距离精度测试的三组数据，由于三台仪器经系统定向后处于同一个坐标系统中，因此 T3000 、 TM5100 交会测量的三维坐标与 NET1200 直接测量点的三维坐标具有可比性，表 3 列出了第一组试验中针对反射片测量三维坐标比较结果。
表 3 NET1200 针对反射片三维坐标测量精度测试结果（单位： mm ）
|
点序号 |
dX |
dY |
dZ |
dP |
点序号 |
dX |
dY |
dZ |
dP |
|
1 |
0.041 |
0.195 |
-0.103 |
0.225 |
11 |
0.077 |
0.445 |
-0.145 |
0.475 |
|
2 |
-0.006 |
-0.157 |
-0.149 |
0.217 |
12 |
0.893 |
0.035 |
-0.345 |
0.958 |
|
3 |
0.375 |
0.343 |
-0.045 |
0.51 |
13 |
0.141 |
0.422 |
0.058 |
0.448 |
|
4 |
0.395 |
0.481 |
0.036 |
0.624 |
14 |
0.037 |
0.512 |
-0.128 |
0.53 |
|
5 |
0.168 |
0.123 |
-0.096 |
0.229 |
15 |
0.066 |
0.557 |
-0.074 |
0.566 |
|
6 |
0.043 |
0.392 |
-0.127 |
0.414 |
16 |
0.054 |
0.053 |
-0.208 |
0.222 |
|
7 |
0.266 |
0.638 |
-0.188 |
0.716 |
17 |
-0.089 |
0.454 |
-0.283 |
0.542 |
|
8 |
-0.149 |
0.979 |
-0.173 |
1.005 |
18 |
-0.101 |
0.554 |
-0.209 |
0.6 |
|
9 |
-0.144 |
0.414 |
-0.294 |
0.527 |
19 |
-0.142 |
0.032 |
-0.172 |
0.226 |
|
10 |
-0.117 |
0.747 |
-0.142 |
0.769 |
20 |
0.138 |
0.645 |
-0.113 |
0.669 |
表中， dX 、 dY 、 dZ 分别为交会测量坐标与 NET1200 极坐标测量坐标的 X 、 Y 、 Z 坐标差， dP 为 dX 、 dY 、 dZ 的平方和根，称之为点位误差。对所有点位误差取均方根值，针对反射片进行的三组试验的均方根值分别为： 0.571mm 、 0.423mm 、 0.655mm ， 该误差综合反应了 NET1200 全站仪的点位测量精度，但该项误差还包含了三台仪器进行系统定向时的定向误差，因此综合起来看，单台 NET1200 全站仪极坐标测量的点位精度完全可达到 0.6mm 。
2.4 NET1200 全站仪多站测量精度测试
在工业检测、设备安装、油罐容积计量等工作中，一台全站仪单次设站常常不能测量完毕所有待测对象，通常需要多次设站，当仪器搬站后一般采用设置公共点来统一多次设站的坐标系，如图 3 所示。
图 3 多站测量精度测试设站示意图
NET1200 设站 1
10 个公共点
NET1200 设站 2
测试中，在空间设置了 10 个公共点，点在空间的分布范围约 12m × 6m × 2m ， NET1200 全站仪在两个位置设站，分别观测 10 个公共点，然后利用工业测量系统软件进行定向解算统一两次设站的坐标系，可以得到两次设站在统一坐标系中的三维坐标，以及各公共点的坐标。由于针对每个公共点，均在两次设站时对点进行了角度、距离测量，则在定向解算时将会采用空间角度、距离交会的方式计算点坐标，同时可以解算出点的不相交误差，以 Rms [2] 表示，该不相交误差可以反应多次设站的精度。表 4 列出了定向解算计算出的公共点不相交误差。
表 4 NET1200 多次设站交会测量精度测试结果（单位： mm ）
|
点序号 |
RmsX |
RmsY |
RmsZ |
RmsP |
点序号 |
RmsX |
RmsY |
RmsZ |
RmsP |
|
1 |
0.089 |
0.038 |
0.006 |
0.097 |
6 |
0.001 |
0.000 |
0.016 |
0.016 |
|
2 |
0.087 |
0.043 |
0.003 |
0.098 |
7 |
0.001 |
0.001 |
0.029 |
0.029 |
|
3 |
0.022 |
0.012 |
0.093 |
0.096 |
8 |
0.042 |
0.020 |
0.020 |
0.050 |
|
4 |
0.002 |
0.002 |
0.010 |
0.010 |
9 |
0.016 |
0.008 |
0.007 |
0.020 |
|
5 |
0.021 |
0.010 |
0.045 |
0.051 |
10 |
0.000 |
0.000 |
0.007 |
0.007 |
从上表可以看出，在该测试空间范围内，最大的点位不相交误差小于 0.1mm ，达到如此精度主要因为在点坐标解算中角度交会占主导，而 NET1200 全站仪在较小范围内的测角误差引起的点位误差远小于测距误差引起的点位误差，因此采用 NET1200 角度交会测量点坐标可以达到约 1/100000 的相对精度。
为了进一步考察 NET1200 的整体测量精度，不进行交会解算，将上述试验中两站观测的 10 个点分别解算点坐标，得到 10 个点在两个测站坐标系中的两套坐标，利用最小二乘公共点转换来解算两套点坐标的差值，结果列于表 5 中。
表 5 NET1200 多次设站测量点坐标最小二乘转换结果（单位： mm ）
|
点序号 |
RmsX |
RmsY |
RmsZ |
RmsP |
点序号 |
RmsX |
RmsY |
RmsZ |
RmsP |
|
1 |
-0.082 |
-0.370 |
0.084 |
0.388 |
6 |
0.243 |
-0.145 |
-0.065 |
0.290 |
|
2 |
-0.407 |
-0.054 |
-0.061 |
0.415 |
7 |
-0.039 |
-0.120 |
-0.011 |
0.127 |
|
3 |
0.262 |
0.163 |
0.161 |
0.348 |
8 |
-0.272 |
0.074 |
-0.019 |
0.283 |
|
4 |
0.011 |
0.250 |
-0.075 |
0.261 |
9 |
-0.025 |
0.122 |
0.156 |
0.199 |
|
5 |
0.190 |
0.128 |
-0.138 |
0.267 |
10 |
0.121 |
-0.049 |
-0.030 |
0.134 |
|
最大点位差值： 0.42mm ；点位差均方根： 0.29mm 。 |
|||||||||
表 5 表明， NET1200 全站仪两次设站对同一批点测量，点位差值最大差值小于 0.42mm ，差值均方根为 0.29mm ，该结果一方面反应了 NET1200 全站仪自身符合精度，也反应了其综合点位测量精度。与 2.3 三维坐标测量精度测试中与其它测量系统比较差值吻合。
3. 结论
从各项测试结果表明， NET1200 针对反射片测量精度完全能达到标称的 0.6mm ＋ 2ppm 精度指标。 NET1200 两次设站对点交会测量精度测试结果表明其交会测量精度可到 1/100000 ，与其标称的 1 ″测角精度吻合。在 工业测量、设备安装、油罐容积计量、变形测量等 要求达到亚毫米测量精度的测量工程中 具有很强的实际应用价值。